Лавинно-стримерный переход. Структура стримера. Головка стримера. Катодонаправленный и анодонаправленный стримеры при импульсном воздействии напряжения, страница 12

В начальный момент времени задан компактный пакет электронов. Это достигается заданием высокой (1016 1/м3) концентрации электронов в небольшой (радиус 10 мкм, длина 20 мкм) цилиндрической области, удаленной от анода. В остальной области задается нулевая концентрация электронов 0 1/м3.

 

Рисунок 29. Начальные условия в задаче.

 

Электроны могут свободно проникать через границы модели, другие частицы – нет. Учитывая малые времена расчета, то, что ионы не нейтрализуются на границе, не должно повлиять на решение – они просто не успеют туда прийти.

До лавины.

Рисунок 1. Распределение напряженности поля на начальном этапе, когда объемный заряд вносит пренебрежимо малое искажение.

 

На начальном этапе распространение облака электронов происходит качественно как в классической лавине. Концентрация электронов расплывается вследствие диффузии, размножения почти нет (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Развитие системы на начальном этапе – «простая лавина». 0-2,5 нс. Концентрация электронов. Пределы шкалы на всех графиках одинаковая.

 

Собственно, на этом этапе нет лавинного процесса. В азоте нет прилипания, поэтому критерием наличия лавинного процесса можно принять условие:

                                                         

Здесь α – коэффициент ионизации, Δx – длина участка, который проходит электронное облако. В нашем случае Δx = 1 мм, поэтому о лавине можно говорить, когда коэффициент ионизации превышает α = 1000 1/м – иначе на всей длине участка электрон испытает в среднем менее 1 столкновения, то есть размножения почти не будет. По опытным данным это значение коэффициента ионизации соответствует напряженности 32 кВ/см. То есть до этой напряженности в нашей системе мы имеем не лавину, а распространяющееся облако электронов, число которых остается постоянным.

Значение напряженности 32 кВ/см соответствует расстоянию примерно 0,7 мм от сферы, ближе начинается лавинный процесс.

«Вытянутая» лавина.

В момент времени 3 нс концентрация электронов у поверхности сферы сравнялась с концентрацией электронов в максимуме лавины, дальше максимум концентрации находится уже у поверхности сферы. Два локальных максимума соединяет перемычка.

 

Рисунок 3. Концентрация электронов в момент времени 3,03 нс. Максимумов концентрации два – в центре лавины и у сферического электрода.

 

Прежде чем говорить о природе максимума, отмечу, что хотя характерный радиус лавины небольшой – около 0,05 мм, значительная концентрация электронов наблюдается по всей модели, хотя она, конечно, на несколько порядков меньше концентрации электронов в максимуме лавины (рисунок 4).

 

Рисунок 4. Логарифмический график концентрации электронов. Хотя центр лавины прошел всего 35% длины модели, у сферы наблюдается концентрация электронов до 1011 1/м3.

 

Это свойство уравнения диффузии, которым обладает и уравнение на ФРЭЭ – концентрация частиц появляется мгновенно во всей области, хотя она и на много порядков меньше концентрации в центре облака. Есть ли физический смысл в таком «мгновенном» распространении? Облако электронов расплывается, поскольку движение электронов хаотическое. Центр лавины движется с дрейфовой скоростью электронов, однако их реальная скорость намного выше. В нашей системе встречаются электроны с энергий 10 эВ и выше, хотя их и мало. Этой энергии соответствует скорость – 1,9·106 м/с. Расстояние в 1 мм по прямой такой электрон способен пройти за 0,5 нс. Разумеется, вероятность такого события ничтожно мала, поскольку на этом пути электрон должен много раз упруго удариться о молекулы, малость этой вероятности и описывается гауссовой экспонентой. Но утверждение, что малая доля электронов может по скорости опередить центр лавины на порядок – вполне физично. Это возможно благодаря тому, что тепловая скорость электронов не менее чем на порядок больше дрейфовой.